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超聲波化學鍍的研究進展

內容來源:超聲波清洗機   發布日期:2016-07-01 09:36:56

 次進行了化學鍍實驗后,化學鍍作為一項工業應用技術已經有很長一段歷史了。化學鍍層應用于金屬材料表面改性處理有獨特的優點,引起了表面處理工作者的極大興趣。據報道,只要預處理適當,幾乎所有金屬材料都能鍍覆結合力良好的化學鍍層。

  近年來,化學鍍作為一項表面處理手段越來越顯示出重要的作用。化學鍍的不斷發展,歸結于該技術具有良好的工藝性、鍍層獨特的物理、化學和機械性能。降低鍍液溫度、進一步改善性能或使材料的表面功能化是化學鍍的發展趨勢。

  傳統化學鍍工藝的能量輸入主要為水浴加熱,人們為了能夠使化學鍍的沉積速度更快,施鍍溫度更低,鍍層性能更優,采用了多種能量輸入方式,如在化學鍍中加入超聲波或電脈沖丨lj,或者在室溫下,利用激光束的照射使鍍液局部升溫達到化學鍍的引發溫度,可實現光照區化學鍍12丨,鍍速可提高幾個數量級,而且鍍層性能明顯改善。其中,超聲波輔助化學鍍研究得較為廣泛,取得的成果也較為顯著。隨著超聲波在化學領域及其它材料表面處理技術中的成功應用,作為一種特殊的能量輸入形式,越來越引起各國研究人員的重視。文中闡述了超聲波化學鍍的特點、超聲波在化學鍍中的作用機理以及超聲波對化學鍍的沉積速度、鍍層性能等方面的影響,總結了國內外在超聲波化學鍍方面的研究進展。

  1超聲波作用機理丨3 1.聲化學所謂聲化學,主要是指利用超聲波來加速化學反應或開啟新的反應通道,以提高化學反應率或獲取新的化學反應物。聲化學反應不是來自聲波與物質分子的直接作用,因為在液體中常用的聲波波長為10(m~0.015cm(對應的聲波頻率為10kHz~10MHz)遠大于分子尺度。聲化學的主動力是超聲空化。

  在物理學上,超聲空化是液體中氣泡在聲場作用下所發生的一系列動力學過程。當在溶液中施加超聲波時,超聲波將引起媒質分子以其平衡位置為中心的振動。在超聲波壓縮相內,分子間的平均距離減小;而在稀疏相內,分子間距將增大。對于強度為I的聲波,它作用于媒介的聲壓為PaPAsinJt,Pa為聲壓振幅,⑴為超聲波的角頻率,且/=PA/2PPc分別為媒質的密度及聲速。因此,在超聲波的負壓相(即稀疏相)內,媒質受到的作用力為(Ph―Pa)Ph為流體靜壓力。倘若聲強足夠大,使液體受到的相應負壓力亦足夠強,那么分子間的平均距離就會增大到超過極限距離,從而破壞液體結構的完整性,導致出現國家自然科學基金資助項目(29876003)高叔軒(1977-),男,河北南宮人,大連理工大學碩士研究生,從事金屬材料表面處理方面的研究。

  高叔軒等超聲波化學鍍的研究進展空腔或空穴。一旦空穴形成,它將一直增長至負聲壓達到極大值(一Pa)其結果是一些空化泡將相繼進入持續振蕩;而另外一些空化泡將完全崩潰,并伴隨著高溫,高壓和沖擊波產生,即超聲空化。崩潰瞬間在氣泡及其周圍微小空間內出現“熱點”,形成高溫高壓溫度達5000K以上,壓力達50.7MPa以上,溫度的時間變化率達19K/s并伴有強大的沖擊波和時速達400km的射流以及放電發光過程。這就為促進或開啟化學反應造成了一個極端的物理環境。

  2.超聲波化學鍍作用機理當我們強調超聲空化是聲化學反應主動力的時候,還必須要注意到超聲波的機械效應(如傳聲媒質的質點振動位移、速度、加速度及聲壓等力學量)和熱效應(聲波在傳播過程中期部分能量被媒質吸收變成熱能)對化學反應的貢獻,在超聲波化學鍍中,主要是利用超聲波的超聲空化和它的熱效應。

  超聲波應用于化學鍍的作用機理主要有以下兩種觀點:一種觀點認為超聲波導致鍍液與基體的界面處形成空化作用影響了化學反應:由于超聲波的作用形成了活化態氫原子,有利于提高反應的還原性能和鎳或其它金屬離子的沉積速度,從而實現在不影響沉積速度的前提下降低工作溫度。另一種觀點認為超聲波對鍍液的空化作用,可使氣泡進一步生成和擴大,然后,突然破滅,在這急速的氣泡崩潰期間,產生瞬間高丨溫增強了分子碰撞,增加了活化分子數目,加速了鎳的沉積速度。

  2超聲波化學鍍在國外研究狀況國外在這方面研究得比較早。在20世紀50年代Rich就將20kHz的超聲波應用到堿性鍍液中,并獲得了較高的沉積速度。GlennO.Mallory于1978年描述了在超聲波場中超聲波對化學鍍N-P合金物理性質的影響,并在以后的工作中,進行了更加深入的研究。1985年,Mallory將頻率為25kHz和40kHz的超聲波應用到酸性鍍液中,在pH值為4.溫度為87°C的條件下進行化學鍍鎳,使得鍍層的磷含量從原來的9.5%降低到7.2%,硬度從500HV增加到590HV沉積速度最高為1211/h近幾年來,國外還有很多學者從事這方面的研究。K.KobtryaAi等人采用極化和交流阻抗方法,從化學鍍鎳的動力學入手,研究了超聲波對化學鍍鎳的影響171.K.Kobayashi在實驗中采用的超聲波頻率為28kHz45kHz和100kHz鍍液為含檸檬酸鹽的中性和堿性鍍液,施鍍溫度為50- 60C最高沉積速度為4.Wh實驗結果表明超聲波有利于Ni2+-檸檬酸絡合物的擴散,而化學鍍鎳的沉積速度的增大取決于Ni2+-檸檬酸絡合物的減少。不同的超聲波頻率對提高沉積速度的作用效果是不同的,效果最明顯的是45kHz其次是28kHz最后是100kHz F.Touyeras等人研究了超聲波對在環氧樹脂上進行化學鍍銅的影響,研究內容主要為沉積速度。鍍層與基體的結合程度及其內應力等。工藝溫度為48C超聲波發生頻率高達530kHz實驗結果表明在非導體材料表面進行化學鍍銅時加入超聲輻射,能夠有效地加快沉積速度,使鍍層與基體的結合力增加25%-30%,而使其內應力下降。F.Totyeras認為超聲波在其中所起的作用主要是除氫和促進催化活化189. YS.Pa,k等人在對超聲波化學鍍工藝進行研究時1101,采用正交實驗法對不同pH值。超聲波頻率。穩定劑濃度進行計算,總結出最優工藝條件,即施鍍溫度為90CpH值為5.5,超聲波頻率為40kHz,穩定劑Pb(Nft)的濃度為0.4X 106,在此條件下,沉積速度增長了15%,達到14.nVh,顯微硬度增加了11%,達到442HV.而且在實驗中,即使超聲波頻率逐漸增大,基體表面也未出現點蝕或腐蝕的現象。

  MasahiroOkumiya等人在研究超聲波輔助下碳鋼表面進行N-P-cBN化學鍍時1111,采用超聲波頻率為15.5kHz施鍍溫度為90C研究發現,所得到的試件表面的顆粒在沒有加入超聲波B寸,其形狀是下陷的;而加入超聲波(振幅為6n)時,顆粒表面出現大約10m的突起。這樣就可以使更多的鎳離子沉積到顆粒表面,而且結合得也更加牢固。當超聲波振幅增加到11WmB寸,沉積速度最快,達到164是未加入超聲波的1. 5倍。當超聲波振幅超過11m時,超聲空化現象增強,沉積速度會因此而迅速下降。

  3超聲波化學鍍在國內研究狀況我國在這方面的研究起步較晚,在20世紀90年代才開展這方面的研究。山東工業大學崔寧等人112在酸性鍍液溫度為75C陽值為4. 8的條件下研究了超聲波對化學鍍N-P非晶態合金的鍍速、磷含量、顯微硬度及孔隙率的影響。研究結果表明超聲波可以顯著地提高化學鍍N-P合金的沉積速度,降低合金中的磷含量,提高鍍層的顯微硬度,明顯地降低鍍層的孔隙率;在超聲波作用下,沉積速度約為無超聲波時的1.5倍,最高可達10m/h;但在上述實驗條件下,超聲波強度的改變對化學鍍N-P合金的沉積速度、合金中的磷含量、鍍層的顯微硬度、孔隙率影響不大。

  山東科技大學吳玉萍、李惠琪等人對超聲波化學鍍這方面進行研究時113141,在酸性鍍液中,以醋酸鈉為絡合劑,超聲波工作頻率分別為34kHz和19.5kHz,對超聲波化學鍍鎳鍍層的金相組織、成分、結構和性能進行了研究,并與常規化學鍍鎳層進行了比較。研究結果表明超聲波化學鍍鎳層組織致密,胞狀結構細化,鍍層含磷量降低,主要為非晶態,夾有少量微晶。所取得的研究成果中值得關注的是將施鍍溫度降低到40C以下,而沉積速度仍能保持在1tm/h以上。

  近年來,隨著金剛石生產技術的迅速發展和規模的不斷擴大,世界各國都在努力提高金剛石產品的質量和等級,并積極開發研制金剛石單晶的鍍膜技術。在金剛石單晶上鍍膜,可使不平整的鍍膜表面與金剛石單晶機械地粘在結合劑中,從而提高金剛石的把持力。鑒于超聲波可使金剛石單晶顆粒不停轉動,防止它們互相鍍成一團,并使鍍膜均勻、致密、提高鍍膜強度和表面技術硬度,同時還具有使鍍膜與金剛石結合牢固的作用。燕山大學關長斌等人研究了超聲波對化學鍍N-Cr-P非晶態薄膜的金剛石性能的影響朱瑞安。脈沖電鍍。北京:電子工業出版社,1987.楊玉國,孫科柏,楊德均。光敏劑誘導化學鍍鎳的研究歐陽新平,羅浩江。低溫化學鍍鎳研究進展。電鍍與涂飾,200019(3)4245.馮諾,李化茂。聲化學及其應用。合肥:安科學技術出版社,1992.電鍍與環保,199818(2)。中國有色金屬學報,1998,關長斌,周振君,于金庫。超聲波對化學鍍Ni-G-P非晶態薄膜的金剛石性能的影響。材料科學與工藝,1996節能節水清潔生產材料HM-2多功能金屬鈍化劑1功能對鐵。銅。錫。鋅。鎳。鋁。銀等多種金屬進行氧化。鈍化對薄鍍層無溶解性,提高防腐。耐蝕。防變色的保護作用;增強表面硬度,提高耐磨性能;替代磷化膜提高涂漆層的附著強度;對鐵。銅等為基體的鍍層孔隙有封閉作用。是確保清潔生產的節能。節水。環保型新材料。以鐵件。銅件。鐵鍍錫件鈍化為例:中度及重度腐蝕環境:防腐70天(在濕熱蒸氣,酸氣的車間)輕度腐蝕環境:防腐5-6個月(在化驗室)一般清潔環境:防腐大于8個月(在庫房)。

  2特點(1)材料中不含任何有毒有害的物質,從源頭根除污染源。

  (2)pH=7的中性液體,對人身、環境沒有腐蝕作用,節省設施投資。儲。存。運;勿低于5°C.(3)常溫使用節約能耗,不用加熱設備投入,確保生產環境清潔,減輕生產設施腐蝕。

  (4)濃縮型:工作時加水95%-99%,節約包裝運輸費用。

  節水型:工作液失效時持續加濃縮液,實現零排放。鈍化后可水洗,非裝飾層可不水洗,排放量最少化。

  (6)適用面廣成本低廉:對多種金屬有防腐作用,每分錢濃縮液可鈍化5-10dm2. 3使用除油銹的金屬件或潔凈的鍍層,在1%-5%的HM-2水溶液中(最好用純水)浸5― 10min水洗(或不用水洗)自干。

  亦可在汽車水箱試壓、檢漏、水洗的生產流程浸水中,加入1%- 5%的HM-2對整體水箱或待噴漆的鋼件、銅件,提高其在多次浸水后的耐蝕防腐性能。

  注:上述防腐數據是在北京最濕熱的6-8月份,分別對易腐蝕的鐵、銅基材件及鐵鍍錫層件鈍化后直接使用的結果。如果在濕熱較低的季節,或者是涼爽干燥的環境或地域,防腐性能還會延長,在一般清潔環境中延長3-5個月,防腐能力達到1年。

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